High-throughput nuclear delivery and rapid expression of DNA via mechanical and electrical cell-membrane disruption

电穿孔 细胞生物学 微流控 转染 细胞质 DNA 细胞 生物物理学 基因传递 生物 化学 纳米技术 材料科学 基因 生物化学
作者
Xiaoyun Ding,Martin P. Stewart,Armon Sharei,James C. Weaver,Róbert Langer,Klavs F. Jensen
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Springer Nature]
卷期号:1 (3) 被引量:179
标识
DOI:10.1038/s41551-017-0039
摘要

Nuclear transfection of DNA into mammalian cells is challenging yet critical for many biological and medical studies. Here, by combining cell squeezing and electric-field-driven transport in a device that integrates microfluidic channels with constrictions and microelectrodes, we demonstrate nuclear delivery of plasmid DNA within 1 h after treatment—the most rapid DNA expression in a high-throughput setting (up to millions of cells per minute per device). Passing cells at high speed through microfluidic constrictions smaller than the cell diameter mechanically disrupts the cell membrane, allowing a subsequent electric field to further disrupt the nuclear envelope and drive DNA molecules into the cytoplasm and nucleus. By tracking the localization of the endosomal sorting complex required for transport III protein CHMP4B (charged multivesicular body protein 4B), we show that the integrity of the nuclear envelope is recovered within 15 minutes of treatment. We also provide insight into subcellular delivery by comparing the performance of the disruption-and-field-enhanced method with those of conventional chemical, electroporation and manual-injection systems. Rapid DNA expression in millions of cells per minute can be achieved with a microfluidic device that integrates mechanical squeezing of the cells and electric-field-mediated transient disruption of the plasma and nuclear membranes.
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